光源顏色特性參數(shù)的測(cè)量

1光譜功率的傳遞為了獲得測(cè)量源的所有顏色參數(shù)，有必要首先獲得用于測(cè)量的光源在光范圍內(nèi)的光譜能量分布。因此如何準(zhǔn)確測(cè)量出光源光譜功率是十分重要的,對(duì)于最終評(píng)價(jià)光源顏色特性也是必不可少的。本系統(tǒng)采用比較法,將標(biāo)準(zhǔn)光源的光譜功率(其光譜功率由黑體傳遞而來)通過比對(duì)的方法量值傳遞得到待測(cè)光源的光譜功率。系統(tǒng)的裝置如圖1所示。本套系統(tǒng)中,單色儀的作用為取得額定波長的單色光;光電倍增管則將從單色儀出來的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),光電倍增管的高壓控制和數(shù)據(jù)采集,以及單色儀的狹縫改變、波長掃描,550nm截止濾光片的位置移動(dòng),最終的顏色特性參數(shù)的計(jì)算等都是通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的。測(cè)量過程中,在積分球中先后點(diǎn)燃標(biāo)準(zhǔn)燈和待測(cè)燈,將積分球窗口出射光投入單色儀,通過計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)單色儀至各個(gè)波長,再讀取相應(yīng)波長下光電倍增管的信號(hào),分別為is(λ),ix(λ),由標(biāo)準(zhǔn)燈的光譜功率分布Ps(λ)可以求出待測(cè)燈的光譜功率分布Px(λ)Ρx(λ)=ix(λ)is(λ)Ρs(λ)(1)Px(λ)=ix(λ)is(λ)Ps(λ)(1)2計(jì)算光源參數(shù)的方法2.1光定量比例系數(shù)在XYZ系統(tǒng)中,三刺激值X,Y,Z和光源光譜分布函數(shù)Ps(λ)有如下關(guān)系X=Κm∫780380Ρx(λ)ˉx(λ)dλY=Κm∫780380Ρx(λ)ˉy(λ)dλΖ=Κm∫780380Ρx(λ)ˉz(λ)dλ(2)X=Km∫780380Px(λ)xˉ(λ)dλY=Km∫780380Px(λ)yˉ(λ)dλZ=Km∫780380Px(λ)zˉ(λ)dλ(2)其中:Km為輻射量和光度量之間的比例系數(shù),為常數(shù),等于683lm/W?！(λ)?ˉy(λ)?ˉz(λ)xˉ(λ)?yˉ(λ)?zˉ(λ)為CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值。在實(shí)際測(cè)量中,由于在380nm~780nm區(qū)間的光源由此可以得出在x-y色度圖中x,y的值x=X/(X+Y+Z)y=Y/(X+Y+Z)以及在CIE1960均勻色度標(biāo)尺圖u-υ上色坐標(biāo)u,υ的值u=4X/(X+15Y+3Z)υ=6Y/(X+15Y+3Z)2.2復(fù)配的相關(guān)染色如果一個(gè)光源發(fā)射光的顏色(即光色)與某一溫度下的墨體發(fā)射光的顏色(即色品)相同,那么,此時(shí)黑體的絕對(duì)溫度值就叫做該光源的顏色溫度(簡稱色溫)。黑體發(fā)射光的相對(duì)光譜功率分布由譜朗克定律給出:P(λ,T)=C1λ-5(eC2/λT-1)-1(3)其中:T為黑體的絕對(duì)溫度;λ為波長;C1為第一輻射常數(shù),C1=3.7450×10-16W·m2;C2為第二輻射常數(shù),C2=1.4388×10-2m·K。當(dāng)光源發(fā)射光的顏色和黑體不相同時(shí),我們用“相關(guān)色溫”的概念來描述光源的顏色。相關(guān)色溫的定義是:在某一確定的均勻色度圖中,如果一個(gè)光源與某一溫度下的黑體具有最接近的色品,此時(shí)黑體的絕對(duì)溫度值就叫做光源的相關(guān)色溫。通過待測(cè)光源的u-υ色度圖上u,υ的值,可以計(jì)算出它的相關(guān)色溫。也即:相關(guān)色溫=f(u,υ)相關(guān)色溫的計(jì)算有多種方法,最經(jīng)典的方法為羅伯遜法,參考文獻(xiàn)中詳細(xì)描述了4種衍生的不同的數(shù)值解法(直接內(nèi)插法,三角形垂足法,色溫逐次逼近法,經(jīng)驗(yàn)公式法),并對(duì)各種方法產(chǎn)生的偏差做了詳細(xì)分析,本文不再敘述。在計(jì)算待測(cè)光源的顯色指數(shù)以及色容差時(shí),這兩個(gè)參數(shù)都是與國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的系列基準(zhǔn)光源中的一種來進(jìn)行比較得出的,而在系列基準(zhǔn)光源選擇合宜的基準(zhǔn)光源則是通過選擇與待測(cè)光源具有最相近色溫的基準(zhǔn)光源來作為依據(jù)。2.3基準(zhǔn)兩相性能參數(shù)的確定待測(cè)光源顏色與基準(zhǔn)光源顏色之間的差距用色度容差來表示。通常,認(rèn)為人眼感覺不出顏色變化的最大范圍稱為顏色的寬容差,國標(biāo)中確定了6種標(biāo)準(zhǔn)顏色燈,規(guī)定待測(cè)光源與其中之一的基準(zhǔn)光源色度容差為5SDCM,與目標(biāo)值正好差5SDCM的色點(diǎn)由下式確定:g11Δx2=2g12ΔxΔy+g22Δy2=25(4)其中Δx=(x-x0),Δy=(y-y0)。x0,y0為基準(zhǔn)光源的色度值,g11,g12,g22為基準(zhǔn)光源的顏色系數(shù),它們的數(shù)值都可以在國標(biāo)中查到。x,y為待測(cè)光源的色度值,當(dāng)g11Δx2+2g12ΔxΔy+g22Δy2>25時(shí),則認(rèn)為待測(cè)光源與基準(zhǔn)光源的色度容差大于5SDCM,國標(biāo)中認(rèn)定不合格。2.4顯色性的評(píng)價(jià)用光譜功率分布不同的光源去照明物體,產(chǎn)生的顏色感覺是不一樣的。光源的這種決定被照物體顏色感覺的性質(zhì)稱為顯色性,顯色指數(shù)即為評(píng)價(jià)顯色性的參數(shù)。目前,評(píng)價(jià)光源顯色性的方法主要采用試驗(yàn)色法,即規(guī)定適當(dāng)數(shù)目的物體色作為標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)色,同時(shí)也規(guī)定一系列色溫度下基準(zhǔn)光源,分析和待測(cè)光源分別照明該物體上產(chǎn)生的色度差別,來定量地測(cè)出待測(cè)光源的顯色性。2.4.1i為標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)色的數(shù)值Xi=Κm∫780380Ρx(λ)ˉx(λ)αi(λ)dλYi=Κm∫780380Ρx(λ)ˉy(λ)αi(λ)dλΖi=Κm∫780380Ρx(λ)ˉz(λ)αi(λ)dλ(5)Xi=Km∫780380Px(λ)xˉ(λ)αi(λ)dλYi=Km∫780380Px(λ)yˉ(λ)αi(λ)dλZi=Km∫780380Px(λ)zˉ(λ)αi(λ)dλ(5)Li=∫780380Ρx(λ)ˉy(λ)αi(λ)dλ/∫780380Ρx(λ)ˉy(λ)dλ×100Li=∫780380Px(λ)yˉ(λ)αi(λ)dλ/∫780380Px(λ)yˉ(λ)dλ×100其中,αi(λ)為標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)色的光譜亮度系數(shù),其數(shù)值可以在國家標(biāo)準(zhǔn)中找到。根據(jù)式(5),可以推算出xi,yi和ui,υi的值。2.4.2基準(zhǔn)水源色度修正顯色指數(shù)是比較待測(cè)光源和基準(zhǔn)光源的色度差別,因此必須選擇合適的基準(zhǔn)光源,一般根據(jù)待測(cè)光源的相關(guān)色溫來選定合宜的基準(zhǔn)光源?；鶞?zhǔn)光源的相對(duì)光譜功率分布可以根據(jù)國標(biāo)查到:在待測(cè)光源不高于5000K時(shí),以普朗克輻射體作為基準(zhǔn)光源,相對(duì)光譜功率分布見公式(3)。當(dāng)待測(cè)光源高于5000K時(shí),以組合晝光做為基準(zhǔn)光源,在待測(cè)光源相關(guān)色溫已知時(shí),相對(duì)光譜功率分布見公式(6):S(λ)=S0(λ)+M1S1(λ)+M2S2(λ)(6)式中,S0(λ),S1(λ),S2(λ)為計(jì)算晝光光譜功率分布用的系數(shù),國標(biāo)中的表1給出。M1,M2為與光源色坐標(biāo)相關(guān)的量,其量值由公式(7)和(8)計(jì)算給出:Μ1=-1.3515-1.7703xd+5.99114yd0.0241+0.2562xd-0.7341yd(7)M1=?1.3515?1.7703xd+5.99114yd0.0241+0.2562xd?0.7341yd(7)Μ2=0.0300-31.4424xd+30.0717yd0.0241+0.2562xd-0.7341yd(8)式中,xd,yd為基準(zhǔn)光源的CIE1931xy色品坐標(biāo)值,其量值由公式(9),(10)或(11)計(jì)算出。yd=-3.000x2d+2.870xd-0.2750(9)xd=-4.6070(109Τ3c)+2.9678(106Τ2c)+0.09911(103Τc)+0.244063(10)(4000K≤Tc≤7000K)xd=-2.0064(109Τ3c)+1.9018(106Τ2c)+0.24748(103Τc)+0.237040(11)(7000K≤Tc≤25000K)根據(jù)以上公式就可以得到與待測(cè)光源色溫相同的基準(zhǔn)光源的相對(duì)光譜功率分布了。由于待測(cè)光源和基準(zhǔn)光源照明條件下色適應(yīng)狀態(tài)不同,因此必須進(jìn)行修正。相應(yīng)的修正公式可以在國家標(biāo)準(zhǔn)中找到,引用后修正的色度坐標(biāo)如下:u′i=10.872+0.404CrCCi-4drddi16.518+1.481CrCCi-drddiυ′i=5.52016.518+1.481CrCCi-drddi(12)其中Cr,dr代表基準(zhǔn)光源的色適應(yīng)色品位移修正值,可以在國標(biāo)中查到。而待測(cè)光源的色適應(yīng)色品位移修理正值C,d,以及待測(cè)光源下各試驗(yàn)物體色下的色適應(yīng)色品位移修正值Ci,di,可以通過公式(7)得出,C=1υ(4-u-10υ)Ci=1υi(4-ui-10υi)d=1υ(1.708υ+0.404-1.481u)di=1υi(1.708υi+0.404-1.481ui)(13)由此可以得出待測(cè)光源在各種試驗(yàn)物體色下修正后的色度指標(biāo)值u′i,υ′i。2.4.3色度坐標(biāo)系的計(jì)算將上述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為CIE1964顏色空間坐標(biāo):W*′i=25L1/3i-17U*′i=13W*′i(u′i-ur)V*′i=13W*′i(υ′i-υr)(14)其中ur,υr為基準(zhǔn)光源的色度坐標(biāo),可以根據(jù)第1節(jié)中論述的方法計(jì)算得出。此時(shí),就可以計(jì)算出待測(cè)光源與基準(zhǔn)光源在各個(gè)試驗(yàn)物體色下的色差為:ΔEi=[(U*ri-U*′i)2+(V*ri-V*′i)2+(W*ri-W*′i)2]1/2(15)其中U*ri,V*ri,W*ri為基準(zhǔn)光源下各試驗(yàn)物體色下的CIE1964顏色空間坐標(biāo)。2.4.4般顯色指數(shù)ra顯色指數(shù)用R表示。對(duì)某一色樣i的顯色指數(shù)Ri成為特殊顯色指數(shù),由下式求出:Ri=100-4.6ΔEi(16)一般顯色指數(shù)Ra由8個(gè)特